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Microscopic origin of the magnetic easy-axis switching in Fe3GaTe2 under pressure

自旋电子学 凝聚态物理 磁晶各向异性 铁磁性 磁各向异性 材料科学 磁矩 居里温度 堆积 联轴节(管道) 磁铁 静水压力 各向异性 感应耦合 地磁反转 磁畴 磁能 各向异性能量 高压
作者
Jiaqi Li,Shuyuan Liu,Chongze Wang,Fengzhu Ren,Bing Wang,Jun‐Hyung Cho
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:112 (14) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/htht-2r5v
摘要

The two-dimensional layered ferromagnet ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GaTe}}_{2}$, composed of a $\mathrm{Te}\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{Fe}}_{\mathrm{I}}\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{Fe}}_{\mathrm{II}}\text{/}\mathrm{Ga}\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{Fe}}_{\mathrm{I}}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Te}$ stacking sequence, hosts two inequivalent Fe sites and exhibits a high Curie temperature and strong out-of-plane magnetic anisotropy, making it a promising platform for spintronic applications. Recent experiments have observed a pressure-induced switching of the magnetic easy axis from out-of-plane to in-plane near 10 GPa, though its microscopic origin remains unclear. Here, we employ first-principles calculations to investigate the pressure dependence of the magnetocrystalline anisotropy energy in ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GaTe}}_{2}$. Our results reveal a clear easy-axis switching at a critical pressure of approximately 10 GPa, accompanied by a sharp decrease in the magnetic moments arising from ${\mathrm{Fe}}_{\mathrm{I}}$ and ${\mathrm{Fe}}_{\mathrm{II}}$ atoms. As pressure increases, spin-up and spin-down bands broaden and shift oppositely due to band-dispersion effects, leading to a reduction in net magnetization. Simultaneously, the spin-orbit coupling (SOC) contribution from ${\mathrm{Fe}}_{\mathrm{I}}$, which initially favors an out-of-plane easy axis, diminishes and ultimately changes sign, thereby promoting in-plane anisotropy. The SOC contribution from the outer-layer Te atoms also decreases steadily with pressure, although it retains its original sign; this additional reduction further reinforces the in-plane magnetic easy axis. In contrast, ${\mathrm{Fe}}_{\mathrm{II}}$ atoms continue to favor an out-of-plane orientation, but their contribution is insufficient to counterbalance the dominant in-plane preference at high pressure. These findings elucidate the origin of magnetic easy-axis switching in ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GaTe}}_{2}$ and provide insights for tuning magnetic anisotropy in layered materials for spintronic applications.
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